Udvikling af mekanisk ventilation med lavt elforbrug Søren Terkildsen Sektion for bygningsfysik og installationer Alectia seminar 20 September 2012. Introduktion • 3 årigt Ph.d studie på DTU byg. • ”Ny type lavtryksventilation med lavt varme og elforbrug til energirenovering af bygninger” • Udvikle og afprøve nye løsninger til mekanisk ventilation som kan reducere energiforbruget og/eller forbedre indeklimaet. 2 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Energikrav 2020 • Bygninger står 40 % af Danmarks samlede energiforbrug og heraf står ventilationsanlæg for cirka 25 %. • Energirammen for bygninger i 2020 reduceres fra det nuværende 52.5 kWh/m2 til 20 kWh/m2 for boliger og fra 71.3 kWh/m2 til 25 for kWh/m2 for erhverv. • Det forventede krav til SEL-værdien er 1500 J/m3, mod det nuværende 2100 J/m3 ved maksimum ydelse og tryktab. • Varmegenindvinding på mindst 75 % for erhverv og 85 % for boliger. • Det samlede energikrav til bygninger reduceret med 75 % i forhold til 2006, hvorimod kravet til ventilation alene kun bliver reduceret med 40 % (Erhvervsbyggeri). 3 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Indeklima 2020 • Der er ikke specificeret nogen krav til luftskifte eller minimumsluftmængde pr person som der er i BR 10. I stedet angives kun: – CO2-koncentration må ikke overstige 900 ppm i længere perioder i skoler, kontorer og institutioner. – Hvad er en længere periode? – Hvor mange perioder må der være på en dag? – Termisk indeklima må kun overskride 26 0C nogle få timer for erhverv og 100 timer for boliger heraf maksimum 25 timer over 27 0C. • Arbejdstilsynet angiver at CO2-koncentrationen ikke bør overskride 0.1 % og hvis den overskrider 0.2 % er luftskiftet utilstrækkeligt. 4 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Hvordan? • Højere ventilatorvirkningsgrad • Bedre styring af luftmængder efter behov • Bedre design for at mindske tryktab – Producenter – Rådgivere – Installatører 5 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 – Ventilatorer og motorer Ved at optimere design, materialer og overfladebehandling må kunne forventes en øget virkningsgrad. Ventilatortype Nyværende effektivitet [%] Forbedret effektivitet på 5 % i 2020 [%] Radialventilator 87-90 91-94 Aksialventilator 76-80 80-86 Kammerventilator 75-77 79-81 • Der er motorer på markedet der overholder kravene til IE4 og inden 2020 må det formodes at IE5 motorer med en en virkningsgrad på 97-98 % er udviklet. 6 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 – Varmegenindvinding Vekslertype Nuværende effektivitet [%] Forbedret effektivitet [%] 50-70 80 70-85 85-90 Roterende veksler 70-85 85-95 Væskekoblet 40-60 75-? Vekslertype Nuværende tryktab [Pa] Forbedret tryktab [Pa] Krydsveksler 100 50 Modstrømsveksler 150 50 Roterende veksler 200 30 Væskekoblet ? 2! • Forbedret virkningsgrad på 5 % frem mod 2020 vil mere end Krydsveksler overholde kravene til varmegenindvinding, det kan Modstrømsveksler gøres nu. • Lidt at spare ved at forbedre virkningsgraden over 90 %, afhængig af bygningstype. • Fokus bliver på at reducere tryktabet, for at mindske elforbruget til ventilatorer. 7 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 – Filterløsninger • Brug af posefiltre i stedet for kompaktfiltre og generelt større filtre. • Udvikling i design og materialer, – Der kan være op til 40 Pa forskel i starttryktab ved F7 posefiltre afhængig af materiale. Filertype Nyværende tryktab [%] Forbedret Tryktab 2020 [%] Panelfilter 100-350 50-? Kompaktfilter 100-350 50-? Posefilter 60-250 20-100 Elektrostatiskfilter 2-20 2-20 • Der vil i fremtiden også komme alternative filter løsninger, nogen kan allerede fås nu. – Forskellige former for oxidation – silica gel rotor, plasma, photo-catalytic – Elektrostatiske filtre 8 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 – Kanalsystem og komponenter • Lavere tryktab ved at bruge; – Større kanaler • En størrelse op i kanaldimension giver 35 % større areal og 60 % lavere tryktab – Bedre • • • design Undgå knæk og bøjninger Symmetri opbygning Undgå lange kanalstrækninger og unødvendige tryktab i spjæld. – Bedre komponenter • LeanVent spjæld • Nye Armaturer 9 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Styring • Resultater med et LeanVent spjæld 200 Pressure loss [Pa] 180 10 % 160 140 LeanVent damper opening % 60° (13 %) 50° (23 %) Flat-plate damper angle (opening %) 30 % 120 40° (36 %) 100 30° (50 %) 80 50 % 60 70 % 40 90 % 20 0 0 50 100 150 200 250 Air flow [l/s] Opening percentage [%] Pressure loss [Pa] ‐ fan level 1 Pressure loss [Pa] ‐ fan level 3 Pressure loss [Pa] ‐ fan level 5 0 20 65 137 10 18 60 128 20 16 51 108 30 12 38 78 40 8 24 48 50 6 13 32 60 5* 11 21 70 4* 9 15 80 4* 7 12 90 4* 6* 11 100 4* 6* 10* * Pressure loss across the damper is too low for the pressure sensors to register accurately 10 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Styring • Hvordan styrer i hastigheden på ventilatoren i VAV anlæg? • Hvordan fastsættes trykket? 11 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Styring • Minimering af tryktab ved brug ”Static pressure setpoint reset” • Static pressure setpoint reset” styring hvor et spjæld altid er helt åbent, kan give en besparelse på 20-40 % i forhold til fast statisk tryk. Tilbage betalingstid på ned til et år. • Belimo har sendt deres løsning på gaden for cirka to år siden kaldet ”ventilator optimizer” • LeanVent er i gang med at udvikle et modul til deres spjæld. • Lindab Pascal hvor åbningen på indblæsningsarmaturerne styres optimalt 12 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Styring • Forsøgsopstilling med LeanVent spjæld hvor der blev udviklet en SPRalgoritme. 13 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Styring • Minimering af tryktab ved brug ”Static pressure setpoint reset” 16 140 14 CSP-1 120 CSP-2 12 100 10 80 8 60 CSP-3 Airflow [l/s] Pressure [Pa] Total airflow SPR-1 SPR-2 6 SPR-3 40 4 System SPR 20 2 0 System CSP 0 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Time [h] 14 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Udvikling frem mod 2020 - Indblæsning • Traditionelle armaturer har tryktab på minimum 30 Pa, hvilket ikke er hensigtsmæssig i lavtryksanlæg. – Støjgener – Trækgener • Diffust indblæsningloft – Stort indblæsningsareal giver lavt tryktab omkring 2 Pa samt ingen støj- og trækgener. 15 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningloft • Forskningsprojekter i teori og praksis til at afdække – Risiko for zoner med stillestående luft – Risiko for kortslutning af luftstrømmen og høje lufthastigheder – Luft opblanding – Trækgener i opholdszonen – Temperaturfordeling – Aktivering af termisk masse i loftkonstruktionen – Forskellen mellem forskellige loft typer. • Gipsplader • Aluminiumplader • træbetonplader • Målinger i testkammer på DTU byg og CFD beregninger samt målinger i praksis på Vallensbæk skole. 16 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningloft 17 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningsloft - Tryktab 18 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningsloft - Lufthastigheder 19 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningsloft - CFD 20 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningsloft - Luftopblanding • Perfekt piston luftstrøm = 100 % • Fortrængningsventilation = 50-100 % • Perfekt opblanding = 50 % • Kortslutning/stillestående luft = <50 % 21 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Vallensbæk skole Formålet er at undersøge forskellige nye designløsninger og komponenter i praksis, for at mindske tryktab og energiforbrug, herunder; • ”Overdimensioneret” aggregat • ”Overdimensioneret” kanalsystem • LeanVent spjæld • Diffust indblæsningsloft • Behovsstyring – CO2-sensorer – PIR-sensorer 22 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Aggregat • Standard ”overdimensioneret” VEX340 placeret på loftet. – Varmegenindvinding 80-85 % – Luftmængde 400-2440 m3/h – Ingen varmeflade • Design luftmængde 450 m3/h per rum (5 l/s per person). • Lufthastighed på 1-2 m/s = tryktabsgradient på 0,1-0,5 Pa/m 23 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Diffust indblæsningsloft • Troldtekt træbeton plader • 6 aktive plader – Indblæsningsareal of 9.2 m2 • Installationshøjde – Cirka 20 cm 24 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Kontrolstrategi • Behovsstyring efter – CO2-koncentrationen – Brugen af rummet • Holde CO2-koncentration under 1000 ppm. • Luftmængden til rummene reguleres af LeanVent spjæld. 25 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Målinger • Energiforbrug – Tryktab – SFP-værdi • Indeklima – CO2-koncentration – Temperatur – Humidity – (VOC) • Diffust loftindblæsning – Tracer gas (decay method), ventilation effektivitet – Lufthastighed og –temperatur, draught rate • Elev test – Indlæringsevne – Trivsel og opfattet luftkvalitet 26 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Indeklima Før installering 27 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Results – Indeklima • Efter installering 28 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Diffust indblæsningsloft • Tracer gas målinger – Air change efficiency 29 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Diffust indblæsningsloft • Tracer gas målinger – Air change efficiency 110 55 50 45 500 m3/h 1000 m3/h 40 35 30 Exhaust Measuring point 30 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Local air change index [%] Air change efficiency [%] 60 100 90 80 500 m3/h 1000 m3/h 70 60 50 #1 #2 #3 #4 #5 Measuring point Præsentation 19.01.2012 Resultater - Røgforsøg 31 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Diffust indblæsningloft • Lufthastighed og –temperatur målinger – draught risk – 0.1 and 1.1 m ved luftskifte på 500 and 1000 m3/h – Lufthastigheden skal være under 0.15 m/s – Temperaturgradient 32 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Diffust indblæsningloft 22.5 0.35 22 0.3 Mean air velocity [m/s] Airtemperature [C] • Ved 1000 m3/h og indblæsningstemperatur på 17 grader 21.5 21 20.5 20 19.5 1 2 3 4 5 6 7 0.25 0.2 0.1 m 0.15 1.1 m 0.1 8 0.1 Threshold 0.05 0 -0.05 Measuring point 1.1 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring point 20.2 20 19.8 19.6 19.4 19.2 19 18.8 18.6 18.4 18.2 0.3 Mean air velocity [m/s] Airtemperature [C] • Ved 1000 m3/h og indblæsningstemperatur på 10 grader 0.1 1.1 0.2 1.1 0.15 0.1 0.1 Threshold 0.05 0 1 33 0.25 2 3 4 5 6 Measuring point DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark 7 8 1 2 3 4 5 6 Measuring point 7 8 Præsentation 19.01.2012 Resultater – Diffus indblæsningsloft • Thermografi billeder for at undersøge træk, strålingstemperatur og utæthederne i pladerne. • Utætheder mellem pladerne og langs kanten samt utæt uisoleret loftslem. • Forkert placering af aktive plader skyld i høje lufthastigheder i det ene hjørne. 34 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Resultater – Energiforbrug • SFP-værdi ved luftmængde på 1000 m3/h – Beregnet = 650 J/m3 – Målt = 500 J/m3 • Fast statisk tryk i kanalsystem på 25 Pa til at styre ventilatoren • Kun indledende målinger så der er en vis usikkerhed 35 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012 Konklusion • Forbedret indeklima (1000 ppm) der giver bedre trivsel og indlæring hos elever og lærere. • Diffust loftindblæsning – God luftfordeling – Meget lav risiko for træk – Lav indblæsningstemperatur = sparet varmeflade • Præcis balanceret luftfordeling til de to rum ved brug af LeanVent spjæld • Forholdsvis lave tryk i alle dele af anlægget hvilket gav en lav SFP-værdi på 500 J/m3. – Forvendte krav for 2020 er 1500 J/m3 – Beregnet årligt energiforbrug på 4 kWh/m2 36 DTU Civil Engineering, Technical University of Denmark Præsentation 19.01.2012